Análise de Superfícies de Fratura: Microscopia Eletrônica de Varredura

Após serem solicitadas mecanicamente até a ruptura em diferentes amplitudes de deformação, as superfícies de fratura dos fios de LMF Ni-Ti foram analisadas em MEV. As imagens foram capturadas com aumentos de 250x e 1000x para melhor avaliar a superfície do material no estado de pós-fadiga, conforme é possível visualizar nas Figuras 50 a 53, para os três maiores níveis de deformação.

Figura 50 - Superfícies de fratura dos fios Ni-Ti de seção transversal circular e frequência de 0,5Hz. Amplitude de deformação de (a) 1,0% (16650 ciclos); (b) 1,3% (12240 ciclos); (c) 1,6% (6480 ciclos). (Autoria Própria).

Figura 51 - Superfícies de fratura dos fios Ni-Ti de seção transversal retangular e frequência de 0,5Hz. Amplitude de deformação de (a) 1,0% (15360 ciclos); (b) 1,3% (10410 ciclos); (c) 1,6% (6390 ciclos). (Autoria Própria).

Figura 52 - Superfícies de fratura dos fios Ni-Ti de seção transversal circular e frequência de 1Hz. Amplitude de deformação de (a) 1,0% (22080 ciclos); (b) 1,3% (18300 ciclos); (c) 1,6% (7920 ciclos). (Autoria Própria).

Figura 53 - Superfícies de fratura dos fios Ni-Ti de seção transversal retangular e frequência de 1Hz. Amplitude de deformação de (a) 1,0% (9960 ciclos); (b) 1,3% (5640 ciclos); (c) 1,6% (6480 ciclos). (Autoria Própria).

De uma maneira geral, as superfícies de fratura, tanto dos fios de seção circular quanto os de seção retangular submetidos aos testes cíclicos em flexão alternada revelaram fraturas típicas de falha por fadiga, apresentando os três estágios de desenvolvimento (representados nas imagens por I, II e III). O estágio I corresponde ao surgimento de uma ou mais microtrincas, enquanto o estágio II refere-se à propagação das micro a macrotrincas. Já no estágio III, o material remanescente não pode mais suportar as cargas, resultando na fratura.

Verifica-se que, em todos os casos estudados, a nucleação de trincas ocorre na superfície dos fios. Isto acontece devido às irregularidades da superfície, como por exemplo, arranhões, poros e inclusões que atuam como concentradores de tensão durante o carregamento cíclico. (Eggeler et al., 2004).

Ainda observando as imagens das Figuras 50 a 53, nota-se que o aspecto das superfícies dos fios, em geral, revela uma mistura de fratura frágil e dúctil, mostrando um aspecto escavado (dimples) em algumas regiões e uma superfície mais lisa em outras. Verifica-se, ainda, que as superfícies de fratura dos fios Ni-Ti

com seção transversal retangular apresentam maior proporção de regiões características de fraturas frágeis em comparação com os fios de seção circular. Isto pode ocorrer devido ao tipo de geometria utilizada na ferramenta de trefilação dos fios retangulares, induzindo uma maior quantidade de discordâncias durante o processo de fabricação. Isto justifica, além de uma maior presença de poros e ranhuras, uma consequente menor vida em fadiga para fios Ni-Ti com seção retangular.

Observa-se que apesar das vidas em fadiga serem diferentes para os fios Ni-Ti com seções transversais distintas e para diferentes amplitudes de deformação e frequências de carregamento, as superfícies de fratura foram semelhantes entre si, ainda que não tenha sido possível comparar os formatos das trincas para tempos iguais de ensaios.

6 CONCLUSÕES

Este trabalho teve por objetivo a análise do comportamento em fadiga de fios de LMF Ni-Ti superelásticos, de seção transversal circular e retangular, submetidos a testes cíclicos de fadiga mecânica em modo de flexão simples alternada (Single Cantilever) para frequências de carregamento de 0,5 e 1Hz e diferentes amplitudes de deformação (0,7 a 1,6%). Os resultados obtidos permitiram estabelecer às seguintes conclusões:

A partir dos ensaios cíclicos, foi possível constatar que parâmetros como a amplitude de deformação, frequência de carregamento e a seção transversal dos fios, influenciam diretamente a vida em fadiga de fios Ni-Ti em regime de ciclagem mecânica utilizando um equipamento de DMA;

As curvas de Wöhler comprovaram que a vida em fadiga diminui com o aumento da amplitude de deformação mecânica aplicada aos fios de ambas as seções transversais (circular e retangular). Por outro lado, não foi constatada uma dependência clara da frequência de carregamento. Além disso, a vida em fadiga estrutural, traduzida em termos do número de ciclos até a ruptura, apresenta maior dependência da amplitude de deformação aplicada do que da frequência de carregamento;

Com base na técnica de planejamento fatorial e a análise de variância (ANOVA) foi possível a otimização das variáveis que influenciam a vida em fadiga estrutural dos fios LMF Ni-Ti, além da obtenção de modelos estatisticamente significativos e bem ajustados ao nível de 95% de confiança;

No que diz respeito à fadiga funcional, observou-se que em um primeiro momento ocorre um ligeiro aumento no nível de força necessária para impor as deformações prescritos (0,7 a 1,6 %) em ambos os fios. Em seguida, esse nível de força se estabiliza e permanece praticamente constante até iniciar um decaimento que indica o início do processo de ruptura;

As superfícies de fraturas dos fios Ni-Ti, tanto com seção transversal circular como retangular apresentaram características típicas de fratura por fadiga com mistura de fratura frágil e dúctil. Além disso, verificou-se que a nucleação de trincas ocorre na superfície dos fios.

No geral, os fios Ni-Ti de seção transversal circular (0,5 mm) apresentaram maior vida em fadiga que os fios de seção retangular (0,40 x 0,55 mm). Para níveis de amplitude de deformação entre 0,7% e 1,6%, em ambas as seções transversais, a vida em fadiga ficou situada entre 103 e 105 ciclos, caracterizando uma fadiga de baixo ciclo.

7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Com base nos resultados e conclusões obtidos neste trabalho, é possível sugerir as seguintes contribuições para trabalhos futuros:

• Aplicar frequências de carregamento mais elevadas, superiores a 1Hz, e verificar se existe influência direta na vida em fadiga estrutural e funcional nos fios de LMF Ni-Ti;

• Realizar um estudo avaliando a influência da temperatura em ensaios de fadiga mecânica por controle de deformação utilizando um equipamento de DMA;

• Realizar os mesmos tipos de carregamentos mecânicos trabalhados aqui, mas agora em fios de seção transversal circular e retangular que apresentem fase matensita estável, e posteriormente comparar esses resultados com os fios superelásticos.

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APÊNDICE

APÊNDICE B – Cálculos Realizados no Planejamento Experimental para o Fio Ni-Ti com Seção Transversal Circular (0,5 mm de diâmetro)

Tipo de planejamento experimental: Fatorial 2² com réplica  Fatores: ε. Amplitude de deformação (%) f. Frequência de ensaio (Hz)  Níveis: ε. Amplitude de deformação: 0,7%; 1,3% f. Frequência: 0,5Hz; 1,0Hz  Saída (resposta):

Nf - Número de ciclos até a ruptura

Variáveis Níveis Testados

(ε) Amplitude ( - ) 0,7% ( + ) 1,3% (f) Frequência ( - ) 0,5 Hz ( + ) 1,0Hz  Matriz de Planejamento